실리콘 음극은 평범한 흑연보다 용량이 훨씬 높고, 충분한 양과 질을 갖추고 있기 때문에 리튬 이온 배터리에서 게임 체인저로 평가되고 있다고 중국 청도 생물에너지 및 생물과정 기술연구소 팀은 논문에서 서술했다. 리튬 이온 배터리의 융통성이 뛰어난, 가벼운 디자인을 갖고 있는 파우치 배터리로 가공되면 산양액과 전해질은 80회 충전 및 방전 주기 동안 1kg당 340와트-시의 에너지 밀도를 달성하여 흑연 애노드의 한계를 크게 넘어섰다. 저비용의 실리콘 음극체 (음극)는 평균 쿨롬비 효율성 (충전 효율성)이 99.9%이며, 200회 충전 주기 후에도 용량의 83.1%를 보유할 수 있었다.
신문에서 동을 첫 번째 저자로 발표한 동 티안티안은 “버려진 태양광 패널에서 실리콘의 지속 가능한 조달은 태양광 폐기물의 경제적 및 환경적 영향을 완화시킵니다,”라고 말했다. “폐기물을 가치있는 배터리 구성 요소로 전환하는 것은 리튬 이온 배터리의 비용을 크게 줄이고 접근성을 높이는 데 도움이 됩니다,”라고 중국 과학원 소속 청도 연구소가 발표한 보도 자료에 동이 말했다.
전 세계적으로 전기 자동차에서는 흑연 음극을 사용하지만 그 생산은 대부분 중국의 생산 및 흑연 수출에 의존하고 있다. 로이터통신의 보고서에 따르면, 전기 자동차 음극에 사용되는 흑연의 90% 이상은 중국에서 생산되며 수출되고 있다.
실리콘은 지구 크러스트에서 제일 흔한 두 번째 원소이며 전 세계 어디에서나 찾을 수 있다는 점에서 매력적인 대안이다. 연구팀은 논문에서 “이론적으로, 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 흑연 음극을 완전히 실리콘 음극으로 대체한다면 35% 이상 증가할 수 있다”고 밝혔다.
그러나 실리콘 음극의 상업적 활용에는 몇 가지 장애물이 있는데, 그 중 하나는 실리콘의 기계적 파괴다. 나노 크기의 실리콘은 이러한 문제를 극복하기 위해 이전에 사용되었지만, 제조 과정이 더 비싸고 느리다.
연구자들은 이러한 문제를 극복하기 위해 태양광 패널에서 찾을 수 있는 실리콘에서 유래된 미세 실리콘 입자들을 사용했다. “이 작업은 실리콘 입자에 대한 지속 가능한 공급원뿐만 아니라 미세 실리콘 음극물질에 직면한 주요 도전과제에 대응합니다”라고 첫 번째 공동 저자인 리우 타오는 중국 과학원에 말했다.
연구팀은 음극과 동반되는 리튬 염화소 및 에테르계 전해질과 함께 유연한 고체전해질 상태 전이를 활용하여 파괴 및 기타 원치 않는 반응의 영향을 줄였다.
청도 연구소의 저자이자 교수인 푸이 관레이는 “재활용 된 재료와 고급 화학 공학을 사용하여 우리는 고성능 및 환경 친화적인 리튬 이온 배터리가 가능하며 접근 가능하다는 것을 증명했습니다”라고 말했다.
푸이는 중국 과학원에 이 작업이 전기 자동차와 그리드 규모의 에너지 저장을 위해 사용되는 차세대 배터리로 이어질 수 있는 미래를 열 수 있다고 낙관적이라고 말했다.
주제: 실리콘 음극이 리튬 이온 배터리의 게임 체인저로 평가되고 있다.
질문들:
1. 실리콘 음극은 어떤 특징을 가지고 있나요?
2. 실리콘 음극이 흑연 애노드의 한계를 어떻게 넘어섰나요?
3. 실리콘 음극체의 평균 쿨롬비 효율성은 어떻게 되나요?
4. 실리콘 음극이 리튬 이온 배터리의 비용 및 접근성을 어떻게 개선할 수 있나요?
5. 흑연 음극에 비해 실리콘 음극을 사용하는 이유는 무엇인가요?
6. 실리콘 음극의 영향을 제한하는 주요 장애물은 무엇인가요?
7. 연구팀은 어떻게 실리콘 음극의 문제를 극복하기 위한 실험을 진행했나요?
8. 연구결과로 나온 리튬 이온 배터리의 향후 활용 가능성은 무엇인가요?
중요 용어 및 용어 정의:
1. 실리콘 음극: 실리콘으로 만든 리튬 이온 배터리의 음극. 충전 및 방전 주기 동안 높은 용량과 효율성을 갖고 있다.
2. 흑연 애노드: 기존 리튬 이온 배터리에서 사용되는 음극으로, 용량이 낮고 제한된 주기 동안만 충전할 수 있다.
3. 쿨롬비 효율성: 배터리 충전 시 진전된 전하의 비율. 실리콘 음극체의 경우 99.9%의 효율성을 가지고 있다.
4. 리튬 염화소: 리튬 이온 배터리에서 사용되는 전해질로, 이온 전도를 수행한다.
5. 에테르계 전해질: 리튬 이온 배터리에서 사용되는 전해질 중 하나로, 안정성과 전도성이 뛰어나다.
관련 링크:
1. 중국 청도 생물에너지 및 생물과정 기술연구소
2. 중국 과학원